1、第6章 機電一體化伺服驅動系統(tǒng)設計 伺服驅動系統(tǒng)是帶有信號反饋并可自動調節(jié)的驅動系統(tǒng)，它比一般無伺服的驅動系統(tǒng)的性能要好得多。相當于人的四肢。6.1 伺服驅動系統(tǒng)概述 16.1.1 伺服驅動系統(tǒng)的概念伺服驅動系統(tǒng)（隨動系統(tǒng)或自動跟蹤系統(tǒng)）是指以機械參數作為控制對象，在控制指令的指揮下，控制執(zhí)行元件工作，使機械運動部件按照控制命令的要求進行運動的一種自動控制系統(tǒng)。所涉及的機械參量包括位移（位置）、速度、加速度、力和力矩等。伺服系統(tǒng)必須隨時跟蹤指定目標。26.1.2 伺服系統(tǒng)的分類按控制原理：開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)等伺服系統(tǒng)；按信息傳遞：連續(xù)控制和采樣控制；按驅動方式：電氣、液壓和氣動等伺服系統(tǒng)；按被

2、控量性質：位置控制、速度控制或加速度控制、力或力矩控制、速度或位置的同步控制等伺服系統(tǒng)；按控制過程：點位控制和輪廓控制。3（1） 開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng) 控制系統(tǒng)中沒有檢測反饋環(huán)節(jié)開環(huán)伺服系統(tǒng)結構簡圖缺點：精度低（定位精度0.02mm0.01mm），速度有限；優(yōu)點：結構簡單，調試、維修、使用方便，工作穩(wěn)定、可靠；應用：一些精度要求不高的機電一體化系統(tǒng)，如線切割機、辦公自動化設備、大多數經濟型數控機床和老式機床的改造4（2） 閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)結構簡圖閉環(huán)系統(tǒng)是誤差控制隨動系統(tǒng)，位置檢測元件直接安裝在工作臺上 （雙閉環(huán)）內環(huán)速度環(huán)外環(huán)位置環(huán)缺點：在結構復雜，成本高，穩(wěn)定性會要受到固有頻率

3、、剛性、阻尼、間隙、摩擦等的影響，設計和調試復雜；優(yōu)點：控制精度高；應用：主要用于高精密和大型的機電一體化設備 5（3） 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)位置檢測元件安裝在傳動鏈的中間，間接測量工作臺的位置 圖6-3 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)結構簡圖位置檢測裝置可以安裝在電動機上或安裝在絲杠軸端的編碼器 精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度要低，結構比較簡單，調整、維護也比較方便，穩(wěn)定性好，具有較高的性價比，被廣泛應用于各種機電一體化設備。 66.1.3 對伺服系統(tǒng)的基本要求（1） 穩(wěn)定性（2） 精度（3） 快速響應，無超調（4） 靈敏度76.2 機電一體化系統(tǒng)常用伺服執(zhí)行元件6.2.1 執(zhí)行元件的分類及特點最常用的分類方法是根據使用能

4、量的不同，把伺服執(zhí)行元件分為液壓式、氣壓式和電氣式等主要類型 8機電一體化系統(tǒng)執(zhí)行裝置的分類 9常用執(zhí)行元件特點種類特點優(yōu)點缺點電動式可使用商用電源；信號與動力的傳送方向相同；有交流和直流之分；應特別注意電壓之大小操作簡便；編程容易；能實現定位伺服；響應快、易與微機相連接；體積小、動力較大；無污染瞬時輸出功率大；過載能力差；特別是由于某種原因而堵轉時，會引起燒毀事故，易受外部噪聲影響液壓式對操作人員要求高；液壓源壓強為（2080）105Pa輸出功率大，速度快，動作平穩(wěn)，可實現定位伺服易與微機相連；響應快設備難于小型化；對液壓源或液壓油要求嚴格（比如雜質、溫度、油量、油質）；易泄漏且有污染氣壓式

5、對操作人員要求高；空氣源壓強為(57）105Pa氣源方便、成本低；無泄漏、無污染；速度快；操作比較簡單功率小，體積大，動作不夠平穩(wěn)，不易于小型化；遠距離傳輸困難；工作噪聲大、難于伺服106.2.2 機電一體化系統(tǒng)對伺服執(zhí)行元件的基本要求（1） 體積小、重量輕、輸出功率大功率密度執(zhí)行裝置單位重量所能達到的輸出功率 (W/N) 反映了電動機單位重量的輸出功率，在電動機起停頻率低，但要求運行平穩(wěn)和扭矩脈動小的場合可采用這一指標 比功率功率的時間變化率，是衡量電動機加速性能的一個指標，具有高的比功率對于起停頻率高的機械是非常重要的 11（2） 快速性能好直線運動為質量m，對回轉運動為轉動慣量J （3）

6、 宜于計算機控制（4） 可靠性高、便于維修與安裝（5） 有足夠有精確度，即實際的輸出與指令值之差要小（6） 動作平穩(wěn)、準確度和分辨率高 步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機 126.2.3 交流伺服系統(tǒng)（1） 交流伺服電動分類及特點分類：同步交流伺服電動機、異步交流伺服電動機 特點：同步交流伺服電動機的轉子上裝有永久磁鐵或直流勵磁繞組；同步交流伺服電動機的轉速嚴格的與電源頻率保持同步，而異步交流伺服電動機的轉速永遠低于同步轉速。異步交流伺服電動機屬于交流感應電動機，可分為鼠籠式和繞線式，鼠籠式異步交流伺服電動機的結構簡單、容量大、成本低、適宜大功率傳動。 13（2） 交流伺服電動調速方法

7、異步機的調速方法可分為變頻調速、變極對數調速和變轉差率調速。14變極對數調速：異步電動機的極對數一般不能隨意改，必須做成專門的雙速或多速異步電動機，故變極對數調速為有級調速；變轉差率調速：可以通過調定子電壓、轉子電阻、轉差電壓等方法來實現，變轉差率調速時轉差損耗大、效率低；變頻調速：由于同步轉速隨頻率而改變，轉差變化小，調速性能好，故應用廣 注意：同步電動機不能采用調節(jié)轉差的方法，只能進行變頻調速 15（3） 交流伺服電動變頻調速原理 V/f變頻調速原理氣隙磁通減小，電動機轉子的感應電流I2也相應減小，導致機的允許輸出轉矩M下降，嚴重時電動機會產生堵轉；若相電壓U不變，隨著f1的減小，氣隙磁通

8、將增加，這會使磁路飽和，激磁電流上升，導致鐵耗劇增，功率因數下降。因此改變頻率f1進行調速時，需要同時改變定子的相電壓U，以維持值接近不變，從而使M也接近不變,這就是VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）16 變頻器交流伺服電動機變頻調速的關鍵問題是要獲得調頻調壓的交流電源頻率變換：交-直-交變頻器、交-交變頻器。交-交變頻器(直接變頻器或周波變頻器)采用元器件的數量較多，其輸出的電壓波形是由電源波形的區(qū)段組成的，為了使波形畸變不至過大，輸出頻率不能高于電網頻率的1/31/2，通常用于大功率(500kW或1000kW以上)、低速(600r/min以下

9、)的場合17交-直-交變頻器結構框圖18交-直-交變頻器（帶直流環(huán)節(jié)的間接變頻器）這種型式的變頻器技術成熟，應用較多，輸出交流電的頻率可高于電網的頻率 19 SPWM變頻器SPWM（正弦波脈沖寬度調制），其主要特點是在脈沖寬度調制時，采用三相正弦信作為調制波 20SPWM波生成原理21SPWM變頻器電路原理圖22在SPWM逆變器中，載波電壓頻率ft與調制波電壓頻率fr（即逆變器的輸出頻率）這比N=ft/fr稱為載波比（調制比）。根據載波比的是否改變，SPWM調制方式可分為同步調制方式、異步調制方式和分段同步調制方式 SPWM變頻器調制方式23 SPWM變頻調速系統(tǒng)恒壓頻比（U1/f1=常數）的

10、SPWM變頻調速系統(tǒng)的原理如圖6-8所示。在需要恒速，但要求不高的場合常采用開環(huán)系統(tǒng) 24恒壓頻比SPWM變頻調速原理圖 25SA8282引腳圖SPWM信號可由單片機運行軟件查表及必要的計算來生成。也可用專用的大規(guī)模集成電路芯片產生，如HEF4752、SLE4520、SA4828、SA8282 26微機控制SPWM變頻調速系統(tǒng)框圖27（4） 轉差頻率控制變頻調速系統(tǒng)依據轉差率可以控制電動機的轉速，而轉差角頻率可以通過速度反饋確定，轉差角頻率與異步電動機的轉矩有比例關系，因此通過控制轉差頻率而控制電動機轉矩，可以達到電動機調速的目的。28轉差頻率調速的控制律可歸納為：按滿足式 的函數關系控制定子

11、電流，以保持氣隙磁通恒定；在轉差頻率smax的范圍內，保證氣隙磁通恒定，則轉矩基本上與s成正比。 29轉差頻率控制的交流調速系統(tǒng)結構圖30轉差頻率控制同恒壓頻比控制一樣，轉差頻率控制所依賴的控制規(guī)律不管是轉矩與轉差的關系，還是保持恒磁通時定子電流與轉差的關系都是在穩(wěn)態(tài)條件下得出的，不能反映動態(tài)特性，因而仍然不能保證最優(yōu)的動態(tài)品質。對于最優(yōu)的動態(tài)性能，顯然希望控制的基本原理基于異步機的真實動態(tài)模型。矢量控制就是這樣 31（5） 交流伺服電動機矢量控制交流電動機矢量控制的作用是使得交流電動機能像直流電動機那樣，實現磁通和轉矩的單獨控制，使交流電動機能夠獲得與直流電動機同樣的控制靈活性和動態(tài)特性。為

12、此，必須將三相交流矢量轉換成與之等效的直流標量，建立起交流電動機與直流電動機等效的數學模型，然后按直流電動機的控制方法對其進行控制。 32交流電動機三相繞組等效變換為兩相繞組 33交流電動機繞組矢量變換 34矢量變換控制的基本原理由所要求的氣隙磁通M確定電流IM，由氣隙磁通和所要求的轉矩T確定轉子電流IT。由此經過IM、IT到iD、iQ再到iA、iB、iC的變換，就可以得三相電流iA、iB、iC的瞬時值，以此作為定子三相電流的給定值對三相交流電動機進行控制。由于IM和IT可以單獨調節(jié)，從而就調節(jié)了三相電流的瞬時給定值，這就使交流電動機的控制具有直流電動機同樣的控制靈活性，并且由于是瞬時值控制，

13、所以有良好的動態(tài)控制性能。 35矢量控制系統(tǒng)分類矢量控制系統(tǒng)可分為磁通反饋式和磁通前饋式兩大類，其中反饋式矢量控制又可分為磁通直接測量和磁通仿真兩種。 36交流電動機矢量控制系統(tǒng)框圖37優(yōu)點：轉動可以連續(xù)平滑調節(jié)，調速范圍寬。缺點：由于運行過程中轉子參數常發(fā)生變化，轉子磁鏈難以精確地觀測和定向，系統(tǒng)參數魯棒性差，并由于矢量運算的復雜性，使得實際的控制效果很難與理論分析完全一致，控制器的參數很難在整個調速范圍內保證控制性能一致，控制參數的選擇需在線調整。 變結構控制和直接轉矩控制是交流電動機的新型控制方法，它們力圖在控制方法魯棒性和控制方法的簡單化方面進行改進。 386.2.4 直線電動機直線電

14、動機（Direct Drive Linear Motor）是直接驅動的一種，取消了中間傳動機構，直接驅動執(zhí)行機構（拖板、工作臺主軸等），彈性環(huán)節(jié)減少，系統(tǒng)剛性提高，改善動態(tài)性能，可實現高速、高加速度運行 39（1） 直線電動機基本原理初級固定次級移動、次級固定初級移動40（2） 直線電動機的分類與特點分類：按工作原理交流感應式、交流同步式、直流式、步進式、振蕩式和壓電式；按結構型式扁平型、圓筒型、圓盤型和圓弧型等特點：結構簡單，不需要中間傳動機，可實現直接驅動，使系統(tǒng)得到簡化，提高動態(tài)性能與可靠性，易于維護；移動速度高；精度高，可達納米級；安裝簡單；在低速時效率和功率因數下降較大。 416.3

15、 數控機床伺服驅動系統(tǒng)設計6.3.1 主軸伺服驅動系統(tǒng)設計主軸伺服驅動含義：驅動控制+定向控制。主軸的驅動控制主要是指主軸的速度、轉向控制；而主軸的定向控制指某些數控機床要求在主軸停下換刀等情況下，為了便于機械手操作必須停在某一角度，這樣就需要對主軸的位置進行控制 伺服驅動系統(tǒng)：主軸驅動系統(tǒng)+進給伺服驅動系統(tǒng)。主軸伺服驅動系統(tǒng)一般都采用無級調速，以適應各種加工方式的需要，保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得高的生產率、加工精度和表面質量 42（1） 主軸伺服驅動原理對主軸驅動特殊要求 ：結構盡量簡單，降低成本、便于維護及提高可靠性； 轉速范圍也要很大。現代數控機床多采用電氣控制調速的辦法，

16、使主軸能在大范圍內進行恒轉矩無級調速；在盡可能大的調速范圍內保持恒功率的輸出； 要求主軸能與進給驅動實行同步控制；在加工中心上為了自動換刀還要求主軸能進行高精度停位控制，即主軸定向控制。有的數控機床還要求主軸具有角度分度控制的功能 電主軸 43（2） 電主軸選擇以及與控制系統(tǒng)連接電主軸單元選取：據切削工藝計算所得轉速、轉矩和功率、電主軸轉矩、功率和轉速之間的關系來決定44數控機床中完整的電主軸系統(tǒng)456.3.2 進給伺服驅動系統(tǒng)設計是數控機床的重要組成部分:伺服驅動電路、伺服驅動裝置(電動機)、位置檢測裝置、機械傳動機構以及執(zhí)行部件等部分。作用：接受數控系統(tǒng)發(fā)出的進給位移和速度指令信號，由伺服

17、驅動電路作一定的轉換和放大后，經伺服驅動裝置（直流、交流伺服電動機、直線電動機、功率步進電動機、電液伺服閥液壓馬達等）和機械傳動機構，驅動機床的工作臺、主軸頭架等執(zhí)行部件進行工作進給和快速進給 46（1） 進給伺服系統(tǒng)的技術要求 調速范圍寬(調速范圍是指最高進給速度與最低進給速度之比) ; 位移精度高 ; 穩(wěn)定性好,即負載特性要硬; 動態(tài)響應快 即有高的靈敏度，達到最大穩(wěn)態(tài)速度的時間要短 47（2） 進給伺服電動機選擇與相應連線計算的電動機額定轉速nj、額定轉矩TR以及電動機慣量Jm等要求，選擇安川（yaskawa）公司-II系列的SGMSH-30ACA3E型交流伺服電動機，采用14bit增量

18、式編碼器構成半閉環(huán)系統(tǒng)。同時，選用與之配套的SGDM-30AD型伺服驅單元。48SGMSH-30ACA3E交流伺服電動機特性參數項目額定功率（kW）額定電流(A)額定轉速(rpm)額定轉矩(Nm)峰值轉矩(Nm)轉動慣量(10-4 kg/m2)數值3.018.830009.829.49.149圖6-18 -II系列伺服驅動器的連接506.4 機電一體化新執(zhí)行裝置6.4.1 磁致伸縮執(zhí)行裝置 磁致伸縮現象磁性體的外部一旦加上磁場，則磁性體的外形尺寸會發(fā)生變化(Joule effect，焦耳效應)，這種現象稱為 超磁致伸縮材料特伏諾（Terfenol），這種材料具有超磁致伸縮特性，可用于開發(fā)磁致伸

19、縮驅動器 51磁致伸縮驅動原理526.4.2 壓電執(zhí)行裝置壓電效應是指某些壓電材料在機械力的作用下發(fā)生變形，內部產生極化現象，在材料的某些表面產生極性相反的電荷；當去掉外力后，電荷消失，這種現象就是壓電效應。逆壓電效應是指對壓電陶瓷施加一直流電場，改變其表面的極性強度，從而使壓電陶瓷的形狀和尺寸發(fā)生改變。壓電執(zhí)行器是利用壓電陶瓷（Piezoceramic）的逆壓電效應來實現微量位移的執(zhí)行裝置。53分類壓電執(zhí)行裝置分類：雙壓電式和積層式兩大。雙電壓式壓電執(zhí)行裝置以金屬彈性板為中心電極，兩邊貼合兩層壓電材料，當驅動元件加上電源時，則一層壓電材料伸長，另一層發(fā)生收縮，發(fā)生與施加的電源波形相應的彎曲變形；積層式壓電驅動元件與雙壓電式相比較，在變形量、輸出力、能量變換率和穩(wěn)定性方面有優(yōu)勢。 壓電原理：54積層式壓電驅動器驅動原理特點：能量變換率高(約50)；驅動電壓低，75V（最大變形量為4m時），150V（最大變形量為16m時）；輸出力大（3400N/cm2）；響應快（幾十微秒)；穩(wěn)定性好；超精度驅動（1m以下可達10nm） 55壓電元件驅動壓電元件驅動：電壓控制、電流控制 (a) 電壓型驅動電路 (b) 電流型驅動電路56表6-3 壓電執(zhí)行裝